基于人—機—環(huán)境耦合效應的掘進工作面安全高效生產

韋善陽，楊 濤

(1.國家級安全人機工程實驗室,北京 東燕郊 101601；2. 礦井災害防治重點實驗室，北京 東燕郊 101601；3. 華北科技學院，安全工程學院，北京 東燕郊 101601)

0 引言

工作面掘進是獨頭巷道開掘，前方和周圍的地質條件具有很大的不確定性，環(huán)境地質條件比較惡劣，諸如頂板冒落、煤與瓦斯突出事故等時有發(fā)生[1]。隨著采煤科技的提高，機械化掘進成為發(fā)展的趨勢。為了安全、高效、經濟掘進，必須深入研究掘進工作面的人—機—環(huán)境系統(tǒng)，找出最佳的生產方案[2,4]。本文基于人機環(huán)境系統(tǒng)科學理論和方法研究掘進工作面人—機—環(huán)境耦合效應[5,6],通過最優(yōu)化人—機—環(huán)境系統(tǒng)中三者之間相互作用和彼此影響等的關聯(lián)關系從而尋找出它們聯(lián)合起來產生最佳工作效應的組合方案，實現(xiàn)掘進工作面的安全、高效生產。

1 掘進工作面人—機—環(huán)境系統(tǒng)各子系統(tǒng)分析

1.1 人子系統(tǒng)要素分析

人是掘進工作面人—機—環(huán)境系統(tǒng)中最重要的有機因素，而且隨著機械化技術的提升，人的關鍵作用對安全生產的重要性越加重要[7]。在系統(tǒng)中人的因素主要體現(xiàn)在以下8個方面：

1) 安全觀，良好的安全觀念使工人更加注重生產安全，由此產生的行為是生產過程中按章辦事，工作前做好全面的安全檢查，遇到問題首先考慮的是人的生命安全，更容易規(guī)避事故的發(fā)生。

2) 性格，不同的行為人具有不同的個性特點，掘進工作是比較繁重而且危險的工作，對個體的要求比較嚴格，需要具備良好的性格特性和習慣。

3) 體能，掘進工作對體能的要求很高，主要是工作環(huán)境比較惡劣:高溫、高濕、高強度、低空氣，低能見度、長時間、小空間。在如此環(huán)境中作業(yè)要求工作人員必須體格健壯，體能良好。

4) 心里健康，由于工作環(huán)境特殊，作業(yè)特別，心里和生理壓力比較大，良好的心理承受能力是勝任掘進工作的一個重要要求。

5) 經驗和技能，掘進工作面對的是未全可知的地質條件，具有很多的不確定性，長期工作積累的經驗和技能是安全高效生產的保證。

6) 應變能力，由于掘進工作面對的是復雜的地質條件，突發(fā)事件不時發(fā)生，好的應變能力能轉危為安，保障生命和財產安全。

7) 團隊意識，掘進工作具有較多的作業(yè)工序，如掘進機造作，巷道支護，煤體搬運等，有分工，也要求具有良好的合作和團隊意識。

8) 教育水平，隨著機械化的進一步提高，對知識水平的要求也相應的提高，掘進工作人員應當具備一定程度的教育水平方能較好的完成工作。

1.2 機械子系統(tǒng)要素分析

掘進工作面的機械設備系統(tǒng)包括掘進機械系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、瓦斯和一氧化碳監(jiān)測系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、運煤系統(tǒng)、支護系統(tǒng)等。各個子系統(tǒng)又由若干個子系統(tǒng)構成，而且次子系統(tǒng)又可以劃分為更細的系統(tǒng)，直到元件。對于二級系統(tǒng)的設備要求性能可靠，符合井下作業(yè)空間狹小、高溫、高濕，長時間持續(xù)作業(yè)的生產環(huán)境，并符合煤礦生產的煤安型或本安型。人工操作的設備應該符合人體特性和操作習慣。下圖1為三級系統(tǒng)構成圖。

圖1 掘進機械設備三級系統(tǒng)圖

1.3 環(huán)境系統(tǒng)要素分析

煤礦生產掘進工作面作業(yè)環(huán)境比較惡劣[8]。典型的特點有如下幾個。

1) 獨頭巷道，作業(yè)空間狹小。巷道寬高一般不大于4 m，在放入掘進機等設備之后一般只能容一人側身通過。

2) 高溫、高濕、高粉塵濃度、低能見度。由于在掘進過程中設備放熱，地熱等原因，巷道溫度比較高，掘進過程中產生大量煤臣，濃度大時甚至看不清前方的煤壁，巷道充斥著大量灰白粉塵，可見度很低，為了降低粉塵濃度在開掘時進行灑水降塵，地面和空氣中濕度較高。

3) 地質條件復雜，危險性高。巷道掘進面臨著前方不可知的地質條件，伴隨著各種有害氣體的產生，面臨著頂板垮落，煤與瓦斯突出的威脅等。

4) 設備和人員擁擠。巷道開掘使用的設備比較多，在狹小的空間中人員和設備擁擠，施工不方便。

圖2顯示為巷道掘進過程。

圖2 巷道掘進

2 子系統(tǒng)關聯(lián)性分析

在掘進工作面系統(tǒng)中人、機、環(huán)境三個子系統(tǒng)之間的直接關系是串聯(lián)關系，任何一個系統(tǒng)存在故障將直接引起整個系統(tǒng)不能正常運行，也即非安全生產[9-10]。而各個子系統(tǒng)的次級子系統(tǒng)之間既存在并聯(lián)關系也存在串聯(lián)關系。為了保證掘進工作的正常進行，要求各二級系統(tǒng)必須保證正常運行。建立簡單的模型為公式(1)所示。

F(xi)=f1(xi)·f2(xi)·f3(xi)

(1)

式中

F(xi)——掘進系統(tǒng)正常運行；

F1(xi)——人的安全行為；

F2(xi)——設備的正常狀態(tài)；

F3(xi)——環(huán)境的正常條件。

隨著采煤科技的進步，機械設備性能的提高，掘進工作面設備的安全性和可靠性比較高，在此條件下人的素質和能力對整個系統(tǒng)的正常運行起到了關鍵和核心作用[11]。對于井下掘進工作面由于環(huán)境的變化有一定的規(guī)律，在采取適當?shù)念A防措施后，人—機系統(tǒng)的耦合對巷道開掘起到關鍵作用。圖3所示為掘進工作面作業(yè)系統(tǒng)。

圖3 掘進工作面作業(yè)系統(tǒng)

3 提高系統(tǒng)效能方法

根據(jù)對掘進工作面各子系統(tǒng)要素的分析和系統(tǒng)關聯(lián)性分析可以得出提高系統(tǒng)整體性能的方法主要應當從以下三方面入手[12-14]:

1) 提高人的安全行為。①堅持以人為本，建立以人為核心的安全管理體制；②經常開展安全法制教育，安全知識教育和訓練；③典型事故案例教育和作業(yè)標準化訓練；④注重建立企業(yè)的安全文化。

2) 提高機械設備性能和操作系統(tǒng)集成化。①從機械設備的設計之初就考慮作業(yè)環(huán)境的影響以及應用人體解剖學理論和操作習慣設計最適合人體工作的操作平臺。②設備必須具備良好的安全控制裝置，防止意外發(fā)生時，能保障人的安全。③注意設備的日常維修和維護。

3) 改善作業(yè)環(huán)境。①加強掘進作業(yè)的安全技術措施的落實，堅持措施預防措施不落實不掘進；②加強作業(yè)環(huán)境的安全監(jiān)測和監(jiān)測，保證作業(yè)環(huán)境的安全；③加強降塵除塵，加強照明，加強工作面通風和噪音控制等。

單一的對某一個系統(tǒng)或者因素進行改善在一定程度上會有效果，實現(xiàn)效果的最大化，必須全面的從人—機—環(huán)境三方面全面提高。

4 結論

基于人—機—環(huán)境耦合效應的掘進工作面安全高效生產必須全面提升人、機、環(huán)境三個系統(tǒng)的安全性和可靠性以及協(xié)調性。

1) 人作為系統(tǒng)運行的主動因素和控制因素，人的安全行為往往對系統(tǒng)的運行起到核心作用，因此必須對人進行擇優(yōu)錄用、經常培訓和教育。

2) 一定條件下機械設備的性能和可靠性是基本穩(wěn)定的，可視為常數(shù)，為了保證設備的正常運行，必須做好設備的日常保養(yǎng)和維修。盡可能的利用先進技術設備。

3) 加強環(huán)境控制，改善掘進工作面的作業(yè)條件，做好降塵除塵、降濕降溫，以及提高照明等，營造相對好的作業(yè)環(huán)境。

4) 本文提出的人—機—環(huán)境系統(tǒng)耦合基礎理論分析，為進一步進行相關理論研究提供了基礎理論支持。

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